Зрительный аппарат человека

Системы отображения графической информации воздействуют на зрительный аппарат человека, поэтому с необходимостью должны учитывать как физические, так и психофизиологические особенности зрения.

На рис.1 показан поперечный размер глазного яблока человека.

Свет попадает в глаз через роговицу и фокусируется хрусталиком на внутренний слой глаза, называемый сетчаткой.

Сетчатка глаза содержит два принципиально различных типа фоторецепторов – палочки, обладающие широкой спектральной кривой чувствительности, вследствие чего они не различают длин волн и, следовательно, цвета, и колбочки, характеризующиеся узкими спектральными кривыми и поэтому обладающие цветовой чувствительностью.

Колбочек существует три типа отличающихся фоточувствительным пигментом. Колбочки обычно называют "синими", "зелеными" и "красными" в соответствии с наименованием цвета, для которого они оптимально чувствительны.

Выдаваемое колбочкой значение является результатом интегрирования спектральной функции с весовой функцией чувствительности.

Рис. 1. Поперечный разрез глаза

Светочувствительные клетки, известные как колбочки и палочки, формируют слой клеток в задней части сетчатки.

Колбочки и палочки содержат зрительные пигменты. Зрительные пигменты очень похожи на любые другие пигменты, в том, что они поглощают свет, и степень поглощения зависит от длины волны. Важное свойство зрительных пигментов состоит в том, что когда зрительный пигмент поглощает фотон света, то изменяется форма молекулы и, в то же самое время происходит переизлучение света. Пигмент при этом изменился, измененная молекула поглощает свет менее хорошо, чем прежде, т.е. как часто говорят, "отбеливается". Изменение формы молекулы и переизлучение энергии некоторым, пока еще не вполне ясным образом, инициируют светочувствительную клетку к выдаче сигнала.

Информация от светочувствительных рецепторов (колбочек и палочек) передается другим типам клеток, которые соединены между собой. Специальные клетки передают информацию в зрительный нерв. Таким образом, волокно зрительного нерва обслуживает несколько светочувствительных рецепторов, т.е. некоторая предварительная обработка изображения выполняется непосредственно в глазу, который, по сути, представляет собой выдвинутую вперед часть мозга.

Область сетчатки, в которой волокна зрительного нерва собираются вместе и выходят из глаза, лишена светочувствительных рецепторов и называется слепым пятном.

Таким образом, свет должен вначале пройти два слоя клеток, прежде чем он воздействует на колбочки и палочки. Причины для такого обратного устройства сетчатки не полностью поняты, но одно из объяснений состоит в том, что расположение светочувствительных клеток в задней части сетчатки позволяет любому паразитному непоглощенному свету попасть на клетки находящиеся непосредственно позади сетчатки, которые содержат черный пигмент – меланин. Клетки, содержащие меланин, также помогают химически восстанавливать светочувствительный визуальный пигмент в колбочках и палочках после того, как они были отбелены на свету.

Интересно отметить, что природа создала целый ряд конструкций глаза. При этом глаза у всех позвоночных похожи на глаза человека, а глаза у беспозвоночных либо сложные (фасеточные) как у насекомых, либо недоразвитые в виде световувствительного пятна. Только у осьминогов глаза устроены как у позвоночных, но светочувствительные клетки находятся непосредственно на внутренней поверхности глазного яблока, а не как у нас позади других слоев, занимающихся предварительной обработкой изображения. Поэтому, возможно, особого смысла в обратном расположении клеток в сетчатке нет. А это просто один из экспериментов природы.

Цветовые модели

Мир, окружающий нас, полон всевозможных цветов и цветовых оттенков. С физической точки зрения цвет - это набор определённых длин волн, отражённых от предмета или пропущенных сквозь прозрачный предмет. Однако сейчас нас интересует вопрос не о том, что такое цвет, какова его физическая природа, а то, как вообще на практике можно получит тот или иной цвет. С развитием многих отраслей производства, в том числе, полиграфии, компьютерных технологий, появилась необходимость объективных способов описания и обработки цвета.

Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветов получаются смешением каких-либо других. Например, сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного - голубой. Таким образом, путём смешения из небольшого количества простых цветов, можно получить множество (и при чём довольно большое) сложных (составных). Поэтому для описания цвета вводится понятие цветовой модели - как способа представления большого количества цветов посредством разложения его на простые составляющие.

Возникает естественный вопрос: а зачем всё это надо? Не проще ли было взять и представить в цветовой модели не основные, а все возможные цвета? Конечно, нет! Дать описание каждого цвета в отдельности очень сложно, особенно сейчас, когда на экране монитора мы имеем возможность видеть не сотни, не тысячи, а 4 миллиарда цветов (точнее, цветов и цветовых оттенков)! Попробуйте описать каждый цвет в отдельности. Таким образом, цветовые модели - это почти совершенный способ для описания цветов особенно в компьютерных технологиях и полиграфии. Почему же почти? Дело в том, что не любой цвет можно представить в виде комбинации основных. Это является основной проблемой цветовых моделей. Кроме того, излучаемый и поглощаемый цвет описывается по-разному.

Рис. 2. Цветовой охват

A: Цветовое пространство человеческого глаза
B: Цветовое пространство цветной плёнки
C: Цветовое пространство компьютерного монитора
D: Цветовое пространство печати

Перед тем как перейти к рассмотрению цветовых моделей в отдельности, рассмотрим сначала понятие цветового охвата, который даст нам представление о том, насколько та или иная цветовая модель хорошо представляет цвета. Цветовым охватом называется диапазон цветов, который может быть воспроизведён, зафиксирован или описан каким-либо образом. Определённым цветовым охватом обладают электронно-лучевая трубка монитора или телевизора, цветовые модели, полиграфические краски и, конечно же, глаз человека. На рисунке 2 схематически показано сравнение цветовых охватов человеческого глаза (А), цветной плёнки (B), монитора (С) и печатающей машины(D). Цветовой охват монитора соответствует модели RGB, печатающей машины – CMYK.

Итак, в связи с необходимостью описания различных физических процессов воспроизведения цвета, были разработаны различные цветовые модели. Диапазон воспроизводимых цветов и способ их отображения различны. Это вызвано тем, что человеческий глаз может воспринимать огромное количество цветов, в то время как монитор и принтер в состоянии воспроизводить лишь ограниченную часть этого диапазона.

Цвет в компьютерных технологиях, в типографии и во многих других отраслях производства, связанных с обработкой изображения, представляется в виде комбинации трёх или четырёх составляющих. Такое представление называется цветовой моделью. Цветовые модели позволяют с помощью математического аппарата описать определенные свойства цветового пространства. Различные виды моделей имеют различные цветовые охваты. В этом и заключается их основные преимущества или недостатки. Отражённый и поглощаемый цвет описывается по-разному. Несмотря на довольно большое количество цветовых моделей, рассмотрим лишь те, которые наиболее часто используются в графических пакетах.

Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные цветовые модели (цветовое пространство), т.е. – способ описания цвета с помощью количественных характеристик. Цветовые модели могут быть аппаратно–зависимыми (их пока большинство, RGB и CMYK в их числе) и аппаратно–независимыми (модель Lab). В большинстве «современных» визуализационных пакетов (например, в Photoshop) можно преобразовывать изображение из одной цветовой модели в другую.

В цветовой модели (пространстве) каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. В этом случае цветовая модель – это просто упрощенное геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.

Основные цветовые модели:

§ RGB (Red, Green, Вlue);

§ CMY (Cyan-голубой, Magenta-пурпурный, Yellow-жёлтый);

§ CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет);

§ HSB (Hue - оттенок, Saturation - насыщенность, Brightness - яркость);

§ Lab;

§ HSV (Hue, Saturation, Value);

§ HLS (Hue, Lightness-осветление, Saturation);

§ и другие.

В цифровых технологиях используются, как минимум четыре, основных модели: RGB, CMYK, HSB в различных вариантах и Lab.

Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительный цвет – цвет, дополняющий данный до белого. Дополнительный для красного – голубой (зеленый+синий), дополнительный для зеленого – пурпурный (красный+синий), дополнительный для синего – желтый (красный+зеленый) и т.д.

На схеме «цветовой круг» (большой круг Освальда) (рис. 3) показана взаимосвязь основных цветов моделей RGB и CMY. Смесь красного и зелёного даёт жёлтый, жёлтого и голубого — зелёный, красного и синего — пурпурный и т. д. Таким образом, цвет каждого треугольника на рис. 3 определяется как сумма цветов смежных к нему треугольников.

Рис. 3. Цветовой круг показывает взаимосвязь моделей RGB и CMY

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разделить на два класса:

§ аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

§ субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычитания цветов.

Аддитивный цвет получается путем соединения лучей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называются первичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Вlue) цвета. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Сyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.